Proyecto de Termodinmica

Contenido1. Objetivos32. Antecedentes33. Metodologa43.1 Procesos de Produccin43.2 Componentes de una central termoelctrica53.3 Funcionamiento de la central termoelctrica64. Marco Terico94.2 Entropa114.3 Principio del aumento de entropa114.4Calculo de variaciones de entropa124.5 Ciclo de Rankine124.6 Divergencias entre un ciclo real e ideal144.7 Irreversibilidades en las bombas y turbinas144.8 Ciclo Rankine con recalentamiento155. Resultados166. Caso de ejemplo167. Conclusiones168. Recomendaciones16

1. Objetivos Calculo de entalpias en un ciclo de poder real. Calculo de trabajos y de calor transferido segn las entalpias obtenidas.2. AntecedentesTERMOESMERALDAS es una Central Trmica a vapor con una potencia de diseo de 132 MW, como se muestra en la figura 2, est ubicada en la provincia de Esmeraldas einici sus operaciones el 1 de agosto de 1982 yhasta la fecha, genera energa termoelctrica por medio de la combustin de fuel Oil No. 6 suministrado por la Refinera de Esmeraldas, obteniendo actualmente una potencia mxima de 130MW.

Figura 2: Proceso completo de la generacin de Energa Elctrica3. Metodologa 3.1 Procesos de ProduccinEn su proceso de produccin, como se muestra en la figura 3-1, intervienen varios insumos que dan como resultado la energa elctrica que benfica a gran parte de los ecuatorianos.

Figura 3-1: Insumos que participan en la generacin de la energa elctrica3.2 Componentes de una central termoelctrica

Los elementos caractersticos de las centrales trmicas son:

El almacn de combustible: En el caso del fuel, se almacena en grandes depsitos que tienen reserva para uno o dos meses.

La caldera: Bsicamente, una caldera consta de un hogar, donde se produce la combustin y un intercambiador de calor, donde el agua se calienta. Adems debe tener un sistema para evacuar los gases procedentes de la combustin. La caldera que posee TERMOESMERALDAS es acuotubular, es decir que el agua impulsada por las bombas a una presin de 180 KPa atraviesa las tuberas internas del caldero, all el agua se encuentra a una presin de 140 KPa, entonces se genera la insuflacin de la llama, la cual es impulsada por un inmenso ventilador centrifugo, el aire que es impulsado, previamente se lo calienta para el proceso de combustin, este se calienta gracias a la entropa ciertas tuberas que salen del caldero.Las turbinas: son las mquinas motrices y transforman energa cintica del vapor de agua en energa cintica rotatoria para obtener el mximo rendimiento de la transformacin est formada por 3 etapas: alta, media y baja presin. El vapor a alta temperatura y presin procedente del sobrecalentamiento se introduce en la turbinas en el cuerpo de alta presin formados por centenares de pequeas alabes. A medida que el vapor se expande y pierde presin, la dimensin de las alabes aumenta. De esta manera, las etapas de media presin es ms grande que la de alta presin, si trabaja an lo ser ms.Generador: mquina que recoge la energa mecnica generada por el eje que atraviesa la turbina y la transforma en elctrica. Las centrales elctricas transforman la energa mecnica del eje en una corriente elctrica trifsica y alterna.

El condensador: Sirve para aumentar el rendimiento termodinmico de la transformacin. El agua para vaporizar entra en la caldera en estado lquido. En el condensador, el vapor procedente de las turbinas se condensa antes de volver a entrar en la caldera para repetir el ciclo.

Torre de refrigeracin: sirve para enfriar el agua de refrigeracin del condensador. Los circuitos de refrigeracin pueden ser abiertos o cerrados, en funcin de la disponibilidad del agua. En los circuitos cerrados es imprescindible enfriar el agua para volverlas a usar. En los circuitos abiertos, que usan agua del ro, es necesario, para no afectar a la fauna, que se devuelva a la misma temperatura del agua del ro. Su funcionamiento es muy simple: se provoca una lluvia muy fina de agua para refrigeracin, que ofrezca una buena superficie de contacto con el aire que circula en sentido contrario.

Las chimeneas y tiro: Para la combustin efectiva y completa de cualquier combustible, es necesario un caudal adecuado de aire y se genera una determinada cantidad de humos. El flujo se crea y se mantiene por medio de la chimenea y de los ventiladores. O bien la chimenea por si sola o la combinacin de chimeneas y ventiladores producen la cada de presin necesaria para mantener el flujo. Se llama tiro a la diferencia entre la presin en el lado exterior de la pared (atmosfrica) y la presin esttica en el lado exterior de la pared del conducto o la chimenea por donde circulan los productos de la combustin en la caldera.Equipo elctrico principal: est formado por el alternador, los transformadores y el parque de distribucin.

Sala de tratamiento del agua de alimentacin: el agua usada en la caldera es casi siempre agua natural que contiene diferentes sales minerales y gases disueltos. Estas sales se precipitan formando barro e incrustaciones en los tubos. El buen funcionamiento de la caldera depende en gran parte de la calidad del agua; por lo tanto, las centrales van equipadas, instalaciones de tratamiento de las aguas, que, con adicin de sustancias qumicas, contrarrestan las sales que contiene el agua y evitan el deterioro de los tubos. Tambin se aumenta su PH para evitar el efecto corrosivo.3.3 Funcionamiento de la central termoelctrica El agua que llega del rio Teaone y que es almacenada en una pequea represa y transportada por medio de tubera al proceso de clarificacin mediante la utilizacin de ciertos componentes qumicos y enviada a la torre de enfriamiento con la cual por medio de bombas de agua es enviada a la caldera para empezar la combustin (figura 3-2).

Figura 3-2: Procesamiento del AguaDesde los tanques de almacenaje de combustible, que es enviado de la Refinera Estatal de Esmeraldas, como se muestra en la figura 3-3, que se encuentra frente de la empresa.

Figura 3-3: CombustibleEl combustible se prepara y quema en un quemador, en el que se mezcla el combustible con la cantidad precisa de aire y se impulsa dentro de la caldera mediante un ventilador, donde se produce la combustin. El calor desprendido en la combustin calienta el agua de los tubos y produce el vapor, el calentador elimina la humedad aumentando la temperatura; en estas condiciones se introduce a la turbina y de alta presin (figura 3-4).

Figura 3-4: Proceso de combustinEl vapor se expande en los distintos cuerpos de la turbina y cede energa cintica al rotor de la turbina, que, al girar, arrastra el rotor del alternador donde se produce la energa elctrica que, a travs de los transformadores, el parque de distribucin y las lneas de transporte, como se muestra en la figura 3-5, llega a los consumidores.

Figura 3-5: Funcionamiento de la calderaEn la salida de las turbinas cuando el vapor pasa al condensador, se enfra y se condensa. El agua condensada se somete a distintas etapas de precalentamiento y se introduce en la caldera a travs del economizador con todas condiciones de presin y temperatura ms adecuadas para obtener un mximo rendimiento del ciclo (figura 3-6).

Figura 3-6: Funcionamiento de la turbinaEl agua de refrigeracin usada en el condensador cede el calor extrado de l condensador a la atmsfera mediante de las Torres de refrigeracin. Los gases de la combustin, al salir de la caldera aspirados por la chimenea, se usan para calentar el aire de la combustin, que con los precipitados se retiene la mayor parte posible de partculas slidas contaminantes, y salen por la chimenea (figura 3-7).

Figura 3-7: Proceso completo de la generacin de energa elctrica4. Marco Terico4.1 Enunciado de kelvin - PlanckEl enunciado de Kelvin-Planck del segundo principio de la termodinmica es el siguiente:Es imposible construir una mquina que, operando cclicamente, produzca como nico efecto la extraccin de calor de un foco y la realizacin de una cantidad equivalente de trabajo. Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una mquina que convierta todo el calor en trabajo, como se muestra en la figura 4-1. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco fro), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente (figura 4-2).Matemticamente, esto implica que el rendimiento de una mquina trmica, que segn elPrimer Principio de la Termodinmicapodra ser igual a la unidad, es en realidad siempre menor que la unidad

En la prctica, se encuentra que todas las mquinas trmicas slo convierten una pequea fraccin del calor absorbido en trabajo mecnico. Por ejemplo un buen motor de un automvil tiene una eficiencia aproximada de 20% y los motores disel tienen una eficiencia en el rango de 35% a 40%.

Figura 4-1: Representacin esquemtica de una maquina trmica imposible de construir

Figura 4-2: Representacin esquemtica de una maquina trmica

Esto es equivalente a afirmar que es imposible construir una mquina de movimiento perpetuo (mvil perpetuo) de segunda clase, es decir, una mquina que pudiera violar la segunda ley de la termodinmica. (Una mquina de movimiento perpetuo de primera clase es aquella que puede violar la primera ley de la termodinmica (conservacin de la energa), tambin es imposible construir una mquina de este tipo.

Un refrigerador es una mquina trmica que opera en sentido inverso, como se muestra de manera esquemtica en la figura 4-3. La mquina absorbe calor QF de la fuente fra y entrega calor QC a la fuente clida. Esto slo puede ser posible si se hace trabajo sobre el refrigerador. De la primera ley, se ve que el calor cedido a la fuente caliente debe ser igual a la suma del trabajo realizado y el calor absorbido de la fuente fra.

Figura 4-3: Representacin esquemtica de un refrigerador4.2 EntropaEn la desigualdad de Clausius no se han impuesto restricciones con respecto a la reversibilidad o no del proceso, pero si hacemos la restriccin de que el proceso sea reversible podemos ver que no importa el camino que usemos para recorrer el proceso, el cambio de calordQva a hacer igual en un sentido o en otro por lo que llegaremos a que:dQ / T = 0Como estamos imponiendo que usemos un camino cualquiera esta diferencial es una diferencial exacta y diremos que representa a una funcin de estadoSque pude representarse pordS. Esta cantidadSrecibe el nombre deentropa del sistemay la ecuacin: dQ / T = dSestablece quela variacin de entropa de un sistema entre dos estados de equilibrio cualesquiera se obtiene llevando el sistema a lo largo de cualquier camino reversible que una dichos estados, dividiendo el calor que se entrega al sistema en cada punto del camino por la temperatura del sistema y sumando los coeficientes as obtenidos.En la prctica, generalmente los procesos no son del todo reversible por lo que la entropa aumenta, no es conservativa y ello es en gran parte el misterio de este concepto.4.3 Principio del aumento de entropaTodos los procesos reales son irreversibles.Se producen a una velocidad con diferencia s finitas de temperatura y de presin entre los diferentes partes de un sistema o entre un sistema y el medio ambiente. En mecnica se introducen los conceptos de energa, cantidad de movimiento y otros porque se conservan. La entropano se conserva, sin embargo, excepto en los procesos reversibles y esta propiedad no familiar, o falta de propiedad de la funcin entropa, es una razn del porque existe cierto misterio sobre el concepto de entropa. Cuando se mezcla un vaso de agua caliente con uno de agua fra, el calor entregado por el agua caliente es igual al recibido por el agua fra, sin embargo la entropa del agua caliente disminuye y la del agua fra aumenta; pero el aumento es mayor que la disminucin por lo que la entropa total del sistema aumenta.De donde ha salido esta entropa adicional. La respuesta es que ha sido creada durante el proceso de mezcla. Por otra parte, una vez que fue creada, la entropa no puede ser destruida. El universo debe cargar con este aumento de entropa."La energa no puede ser creada ni destruida, nos dice el primer principio de la termodinmica."La entropa no puede ser destruida, pero puede ser creada",nos dice el segundo principio.4.4 Calculo de variaciones de entropaProceso isotrmico:Como la temperatura es constante se saca fuera de la integral y quedara:S2- S1=q / TProceso no isotrmico:En muchos procesos, la absorcin reversible de calor est acompaada por un cambio de temperatura, es este caso expresamos el calor en funcin de la temperatura integramos y obtendremos:En un proceso a volumen constante:dq = CvdTPor lo tanto S2-S1= Cvln T2/T1En un proceso a presin constante:dq = CpdTPor lo tantoS2-S1= Cpln T2/T1Proceso adiabtico:En un proceso adiabtico como no existe transferencia de calor la variacin de entropas es cero.4.5 Ciclo de Rankine Elciclo de Rankinees unciclo termodinmicoque tiene como objetivo la conversin decalorentrabajo, constituyendo lo que se denomina unciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia est acotada por la eficiencia termodinmica de unciclo de Carnotque operase entre los mismos focos trmicos.El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinmico que tiene lugar en unacentral trmicade vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, tpicamente agua. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presin para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecnico en su eje. El vapor de baja presin que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado. Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presin del fluido en fase lquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneracin del agua de alimentacin a caldera.Existen tambin centrales alimentadas mediante energa solar trmica (centrales termo solares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parablicos o un sistema de helistatos y torre. Adems este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento trmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, as como de los equipos que lo implementan, seran los mismos que se utilizan en una central trmica de vapor convencional.

Figura 4-4: Diagrama T-S del ciclo de Rankine de una maquina TrmicaEl diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal, como se muestra en la figura 4-4, est formado por cuatro procesos: dos isentrpicos y dos isobricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan segn procesos isentrpicos (adiabticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin prdidas de carga y por tanto sin cadas de presin. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los nmeros del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifsica de ttulo elevado o vapor hmedo; 3: lquido saturado; 4: lquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): Proceso 1-2: Expansin isentrpica del fluido de trabajo en la turbina desde la presin de la caldera hasta la presin del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. Proceso 2-3: Transmisin de calor a presin constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeracin, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de lquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin prdidas de carga. Proceso 3-4: Compresin isentrpica del fluido de trabajo en fase lquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presin del fluido de trabajo hasta el valor de presin en caldera. Proceso 4-1: Transmisin de calor hacia el fluido de trabajo a presin constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturacin, luego tiene lugar el cambio de fase lquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presin es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero sta suele ser muy pequea en comparacin y suele despreciarse).En un ciclo ms realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no seran isentrpicas y el condensador y la caldera presentaran prdidas de carga. Todo ello generara una reduccin del rendimiento trmico del ciclo. El rendimiento isentrpico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isentrpico, jugara un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reduccin del rendimiento. El rendimiento isentrpico de la bomba y las prdidas de carga en el condensador y la caldera tendran una influencia mucho menor sobre la reduccin de rendimiento del ciclo.4.6 Divergencias entre un ciclo real e ideal

Figura 4-5: Diagrama de ciclo Rankine El ciclo potencia de vapor real difiere del ciclo Rankine ideal, como se muestra en la figura 4-5, debido a las irreversibilidades en diversos componentes. La friccin del fluido y las prdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes ms comunes de irreversibilidades.Perdidas por friccin: La friccin del fluido ocasiona cadas de presin en la caldera, el condensador y las tuberas entre los diversos componentes. Para compensar las cadas en las presiones se requiere presiones ms altas en el bombeo del aguaPerdidas de calor: Otra fuente importante de irreversibilidades es la prdida de calor del vapor por los alrededores cuando ste circula por varios componentes.4.7 Irreversibilidades en las bombas y turbinasEn las turbinas y bombas existen variaciones de entropa entre la entrada y salida. Originado la disminucin en el trabajo entregado por la turbina y incremento del trabajo suministrado a la bombaPara ajustar ms el anlisis ideal al funcionamiento real, hay que tener en cuenta los rendimientos adiabticos de estos equipos, para el caso ms comn utilizado en los anlisis de los ciclos Rankine se tiene para turbinas y bombas:ni, turbina = Wa. real / Ws. idealni, turbina = (h3 - h4a ) / (h3 h4s)

ni, bomba = Wa. ideal / Ws. realni, bomba = (h2s h1 ) / (h2a h1)

4.8 Ciclo Rankine con recalentamientoEn el ciclo con recalentamiento, el vapor no se expande por completo en una sola etapa hasta la presin del condensador. Luego de expandirse parcialmente, el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presin constante, como se lo muestra en la figura 4-6. A continuacin, se lo devuelve a la turbina para su expansin posterior hasta la presin de salida. Se puede considerar que la turbina est constituida por dos etapas, una de alta y otra de baja presin.

Figura 4-6: Proceso y Diagrama de un ciclo de Rankine con recalentamientoLa temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse si se aumenta el nmero de etapas de expansin y recalentamiento. Sin embargo, el uso de ms de dos etapa de recalentamiento no es prctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequea que no justifica el costo y la complejidad adicional. El doble recalentamiento se emplea slo en plantas de energa de presin supercrtica. Para calcular el rendimiento trmico de un ciclo de recalentamiento, hay que tomar en cuenta el trabajo que sale de ambas etapas de la turbina, as como el calor transferido en la zona de la caldera (Q caldera) y en la zona de recalentamiento (Q recalentamiento)5. ResultadosDatos:Caldera: P= 140 Kpa =245C = 540CTurbina: =140 Kpa =538C =538C =65.36

Condensador: P=109.46 Kpa =41.69C

Figura 5-1: Diagrama del ciclo de Rankine de TERMOESMERALDASCalculo:

Temperatura de entrada en la turbina Sacaremos la entropa y entalpia de la turbina cuando el vapor entra a una presin de 13,725kpa y la es de temperatura de 538C, la eficiencia isentrpica de la turbina es de 0.85 (figura 5-1).

Al tener la entropa en el punto 3, tambin tenemos la entropa en el punto 4 y con ese valor sacamos la calidad del agua en el punto 4.

El condensador al ser un intercambiador, con los datos de del intercambiad se puede el calor de salida del ciclo.

Se utiliza una bomba en el ciclo, y se obtiene el valor de la bomba de la siguiente manera

Con los datos obtenidos ahora podemos la eficiencia del ciclo de Rankine

6. Caso de ejemploConsidere el siguiente ciclo de vapor con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presin a 3.5 Mpa, 350C y se expande a 0.5 Mpa y luego se recalienta a 350C. E l vapor es expandido en la turbina de baja presin a 7.5 kPa. El lquido saturado que sale del condensador va a la bomba. Cada turbina es adiabtica con una eficiencia del 85% y la bomba tiene una eficiencia adiabtica del 80%. Si la potencia producida por las turbinas es de 1000 Kw (figura 6-1), determine:a) Flujo de masa de vapor.b) Potencia de la bomba. c) La eficiencia trmica.

Figura 6-1: Esquema del ciclo de Rankine con recalentamiento

7. Conclusiones

Se pudo calcular correctamente las entalpias, los trabajos y el calor transferido en el condensador; de un ciclo de poder real asumiendo que la eficiencia isentrpica de la turbina es de un 85% debido a que en los datos obtenidos de TERMOESMERALDAS no constaba el dato de la turbina baja. Debido a que se asumi a la turbina una eficiencia isentrpica de 85%, la eficiencia del ciclo de poder es de 97% y tambin que no se emple el recalentamiento.8. Recomendaciones

Al no obtener los datos precisos de la turbina de baja, se puede asumir una eficiencia isentrpica a la turbina, pero esta debe asumirse una eficiencia alta ya que la eficiencia isentrpica en las turbinas es alta.

Bibliografa http://termodinamica-2011.blogspot.com/p/enunciado-de-clausius.html http://laplace.us.es/wiki/index.php/Enunciado_de_Kelvin-Planck http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine http://www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/ENTROPIA.HTM http://www.iq.uva.es/termoap/TEMA9_ciclos_potencia_vapor.pdf http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-1-ciclo-de-vapor.pdf http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-146.htm